朱 勇 ，李建業(yè) ，張程遠 ，張興義 ,※

（1.東北農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，哈爾濱 150030；2.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土地保護與利用全國重點實驗室，哈爾濱 150081）

0 引 言

東北黑土區(qū)獨特的漫川漫崗地貌以及傳統(tǒng)順坡壟作，導致該地區(qū)坡耕地水土流失嚴重，水土流失面積達到21.87萬km2，黑土層以每年2.0～3.0 mm的速度變薄[1]。土壤侵蝕以及耕作導致水穩(wěn)性大團聚體內(nèi)部包裹的輕質(zhì)、細顆粒有機物質(zhì)暴露加速其礦化流失，導致土壤有機碳（soil organic carbon, SOC）減少，在漫川漫崗黑土區(qū)侵蝕嚴重的坡耕地SOC質(zhì)量分數(shù)年下降速率高達13.5‰[2]，造成嚴重的土壤退化，危害了東北黑土區(qū)糧食可持續(xù)生產(chǎn)。

保護性耕作已成為遏止水土流失，促進退化耕地恢復的重要措施，已納入了《東北黑土地保護規(guī)劃綱要(2017—2030年)》，國家為此啟動了黑土地保護性耕作國家計劃。保護性耕作的顯著特征是秸稈覆蓋、輪作、少耕和免耕，其目的是通過增加地表覆蓋、減少濺蝕、增加土壤入滲和土壤含水率，減少地表徑流、增加地表粗糙度和加強表層土壤抗蝕能力[3]，故具有良好的水土保持作用。此外由于秸稈還田增加了有機物料，土壤微生物總量增加，提高了土壤中生物的活躍程度，進而增加了SOC質(zhì)量分數(shù)[4]，改善了土壤結構，具有提升土壤質(zhì)量的作用。

已有研究發(fā)現(xiàn)，保護性耕作不僅改變了SOC質(zhì)量分數(shù)，也對SOC組分產(chǎn)生了重要影響[5]，活性有機碳的敏感性和惰性有機碳的穩(wěn)定性對于指示侵蝕養(yǎng)分流失與土壤地力提升起到關鍵作用，長期保護性耕作條件下能表征土壤活力水平的活性SOC質(zhì)量分數(shù)變幅很大[6]。與傳統(tǒng)耕作相比，河南省砂壤質(zhì)潮土2 a免耕處理下小麥生育期的微生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）顯著提高40.4%[7]（P<0.05）；西南丘陵區(qū)紫色土連續(xù)7 a保護性耕作下的各土層顆粒有機碳（particulate organic carbon, POC）質(zhì)量分數(shù)均顯著提高[8]（P<0.05）；黃土高原14 a保護性耕作0～5和＞5～10 cm土層的輕組有機碳（light fraction organic carbon, LFOC）質(zhì)量分數(shù)分別提高了190.70%和70.27%（P<0.05）[9]；內(nèi)蒙古栗鈣土8 a保護性耕作模式在整個作物生育期可提高14.37%的可溶性有機碳（dissolved organic carbon, DOC）質(zhì)量分數(shù)[10]。保護性耕作對衡量土壤固碳潛力的重要指標的惰性碳的作用也同樣顯著。陜西黃土6 a保護性耕作可以顯著提高0～20 cm土層礦物結合態(tài)碳（mineral organic carbon,MOC）4.9%（P<0.05）[11]。長期保護性耕作對于不同土層深度的SOC組分質(zhì)量分數(shù)影響差異也極為顯著，在黑土區(qū)蔡麗君等研究了保護性耕作對SOC組分的影響，發(fā)現(xiàn)實行保護性耕作的＞10～15 cm土層的MBC質(zhì)量分數(shù)比＞15～30 cm的MBC質(zhì)量分數(shù)高16.4%[12]。

目前已有保護性耕作效應研究多基于模擬和田間試驗，特別是東北黑土區(qū)多以短期效應研究為主，尚不能明確保護性耕作的長期時間效應，經(jīng)過長期耕作后，SOC質(zhì)量分數(shù)、儲量及其碳組分變化特征對于深入理解保護性耕作長期固碳能力具有重要意義，由于土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模最大的碳庫，未來固碳潛力巨大，農(nóng)業(yè)管理措施對其影響顯著，特別是長期效應將是“雙碳”計劃關注的重點，為了進一步深入闡述保護性耕作長期固碳效應，本文建立15 a的土壤耕作長期定位試驗，分層測定了100 cm深土層土壤有機碳組分，比較分析了保護性耕作對黑土有機碳及其組分的影響，以期為黑土地保護與可持續(xù)利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于黑龍江省海倫市光榮村中國科學院海倫水土保持監(jiān)測研究站(47°21'16.95＂N，126°49'56.43＂E)，屬東北典型黑土區(qū)中部，商品糧核心產(chǎn)區(qū)，漫川漫崗水土流失區(qū)，研究區(qū)光榮村平均坡度為2.55°，平均土壤侵蝕模數(shù)4 467 t/(km2.a)，溝壑密度2.27 km/km2，墾殖率80%，坡耕地占90%以上。研究區(qū)屬于北溫帶大陸季風氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年均氣溫1.5 °C，年均降水量530 mm，其中65%降水量發(fā)生于6-8月，年均有效積溫2 450 °C，年日照時間2 600～2 800 h，無霜期120 d。地下水水位埋深20～40 m。土壤為典型黑土，分層明顯，黑土層厚度30 cm左右、過渡層厚度40 cm和母質(zhì)層深度＞2 m。試驗前土壤的基本理化性狀見表1。

表1 試驗前的土壤理化性質(zhì)（2006年）Table 1 Soil initial physical and chemical properties

1.2 田間長期定位試驗

本試驗基于2006年建設的5°坡耕地標準徑流小區(qū)，小區(qū)規(guī)格20 m×4.5 m，設置免耕保護性耕作(NT)和旋耕傳統(tǒng)耕作(CT)兩種處理，每個處理3個重復，2007年正式開始試驗，2007年和2008種植大豆，2009年種植玉米，2008年到2021年均為大豆—玉米兩年輪作制。NT：作物收獲后，將秸稈粉碎全量覆蓋于地表，第二年春季用人工播種和施肥后，噴施化學除草劑，不進行任何秋整地和中耕作業(yè)。CT：秋收后秸稈全部移除，直接旋耕起壟，播種后進行扶壟等中耕作業(yè)。

所有小區(qū)等量施肥管理：大豆播種同步進行人工點播純氮肥20.25 kg/hm2、純磷肥51.75 kg/ hm2、純鉀肥15 kg/hm2，一次完成施肥；5月初玉米播種同步進行人工點播純氮肥69 kg/hm2，磷肥、純鉀肥和大豆施肥量一致，6月末進行一次拔節(jié)期追施純氮肥69 kg/hm2。

1.3 試驗樣品的獲取

2021年10 月玉米收獲后，試驗小區(qū)坡上、坡中、坡下三點取樣，用土鉆采集0～5、＞5～10、＞10～15、＞15～20、＞20～40、＞40～60、＞60～80、＞80～100 cm共8層的土壤樣品，將采集好的土樣，剔除植物凋零物、根系等雜物，塑封袋封裝，一部分土樣4 °C冰箱保存（鮮樣），用于測定微生物量碳和可溶性有機碳；另一部分土樣室內(nèi)風干過篩，用于土壤有機碳、顆粒有機碳、礦物結合態(tài)碳和輕組有機碳測定。使用環(huán)刀取樣測定土壤容重、含水量和孔隙度；取樣鍬取原狀土測定土壤團聚體。

1.4 指標測定

1.4.1 土壤基本物理性質(zhì)的測定

使用室內(nèi)環(huán)刀法測定土壤容重（bulk density，BD）、土壤含水率（moisture content，MC）、土壤孔隙度（porosity，Ps）和土壤非毛管孔隙度（non-capillary porosity，NCP）[13]。

1.4.2 土壤水穩(wěn)性團聚體的測定

土壤水穩(wěn)性團聚體利用土壤團粒分析儀（DIK-2001，日本）濕篩法測定[14]：土壤樣品過10 mm孔徑，在真空條件下用蒸餾水慢速浸潤2～4 min后，移至團聚體分析儀（套篩孔徑自上而下為2、1、0.5、0.25 mm和0.053 mm），浸泡8 min，震蕩2 min，每分鐘循環(huán)30次，振動幅度3 cm。最后將各級套篩中土樣60 °C烘干測定質(zhì)量，計算大于0.25 mm團聚體的質(zhì)量分數(shù)（＞0.25 mm aggregate content，WR0.25）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）[15]。選取土壤大團聚體質(zhì)量分數(shù)和幾何平均直徑作為土壤團聚體穩(wěn)定性指標。

1.4.3 土壤碳氮組分的測定

土壤有機碳（soil organic carbon, SOC）質(zhì)量分數(shù)和土壤全氮（total nitrogen, TN）質(zhì)量分數(shù)測定：將土壤前處理，后采用元素分析儀（EA3000）測定[16]。

土壤顆粒有機碳（particulate organic carbon, POC）質(zhì)量分數(shù)和土壤礦物結合態(tài)有機碳（mineral organic carbon, MOC）質(zhì)量分數(shù)采用六偏磷酸鈉分離法進行分離提取測定[17]：使用六偏磷酸鈉處理土壤樣品，振蕩后過53um篩，沖洗后的篩上土樣為POC組分，通過篩的土樣為MOC組分，烘干磨細后采用元素分析儀（EA3000）測定；

土壤輕組有機碳（light fraction organic carbon, LFOC）質(zhì)量分數(shù)按照有機質(zhì)密度，借助重液分離浮選法測定[18]：使用NaI溶液（1.7 g/cm3）重液處理樣品，離心處理后過0.45 μm濾膜用以區(qū)分輕重組分，用0.01M CaCl2溶液沖洗3次至無色，烘干磨細后采用元素分析儀（EA3000）測定；

土壤可溶性有機碳（dissolved organic carbon, DOC）質(zhì)量分數(shù)測定[19]：先將土水混合樣品（土水比1∶5）震蕩離心后，過0.45 μm濾膜，最后采用自動有機碳分析儀（型號vario TOC cube，德國Elementar）測定；

土壤微生物量碳（microbial biomass carbon, MBC）質(zhì)量分數(shù)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定[20]：首先將測定樣品在真空干燥器中利用氯仿熏蒸，對照組不進行熏蒸處理，再分別用40 ml 0.5 mol/L的K2SO4溶液（水土比1∶4）浸提30 min，用自動有機碳分析儀(型號vario TOC cube，德國Elementar)測定浸提液有機碳濃度。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，用獨立樣本T檢驗（Independent Samples t-test）進行數(shù)據(jù)的差異分析。用SPSS 26.0進行單因素方差分析(ANOVA)、雙因素方差分析(Two-way ANOVA)和pearson相關性分析；用 Origin 2022 軟件進行部分圖型繪制與處理；運用Amos 21進行通徑分析，分析耕作方式下土壤物理性質(zhì)對土壤總有機碳變化的影響。

2 結果與分析

2.1 保護性耕作對SOC質(zhì)量分數(shù)和儲量以及全氮和碳氮比的影響

連續(xù)實施15 a后，0～5 cm表層土壤中，保護性耕作（NT）的平均SOC質(zhì)量分數(shù)為33.70 g/kg，較CT高29.54%，達到顯著差異（P<0.05）；＞5～10 cm表層土壤中，NT的平均SOC質(zhì)量分數(shù)29.50 g/kg，較CT高出22.38%，達到顯著差異（P<0.01）；＞10～20和＞20～100 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)差異不顯著（P<0.05）；＞10～100 cm土層NT的SOC質(zhì)量分數(shù)雖比0～5和＞5～10 cm土層有所降低，但較CT的平均SOC質(zhì)量分數(shù)有所增加。NT處理SOC質(zhì)量分數(shù)隨深度每厘米的下降幅度（0.25 g/kg）高于CT（0.13 g/kg）（圖1a）。SOC儲量與SOC質(zhì)量分數(shù)顯示相似的分布規(guī)律，NT相比于CT在0～5和＞5～10 cm土層碳儲量明顯增加（P<0.05），增幅就分別達到了31.11%和27.34%。除＞15～20 cm土層外，NT處理下SOC儲量在各土層均高于CT處理，隨著土層加深，NT與CT間的差異逐漸減?。▓D1b）。說明，保護性耕作（NT）可以顯著提高表層SOC質(zhì)量分數(shù)和儲量，但對深層SOC質(zhì)量分數(shù)和儲量影響較小。

圖1 不同耕作方式下土壤碳和氮變化Fig.1 Variation of soil carbon and nitrogen under different tillage modes

連續(xù)實施15 a保護性耕作后，0～5 cm表層土壤TN質(zhì)量分數(shù)最高，NT的平均TN質(zhì)量分數(shù)為2.60 g/kg，較CT高53.74%，達到顯著差異（P<0.05）；＞5～10 cm表層土壤中，NT的平均TN質(zhì)量分數(shù)2.25 g/kg，較CT高出37.60%，達到顯著差異（P<0.05）；＞60～80 cm深層土壤中，NT的平均TN質(zhì)量分數(shù)1.18 g/kg，較CT高出27.91%，達到顯著差異（P<0.05）；其他土層TN質(zhì)量分數(shù)差異不顯著（P<0.05）；＞10～100 cm土層NT的TN質(zhì)量分數(shù)雖比0～5和＞5～10 cm土層有所降低，但較CT的平均NT質(zhì)量分數(shù)有所增加。NT處理TN質(zhì)量分數(shù)隨深度每厘米的下降幅度（0.015 g/kg）高于CT（0.007 g/kg）（圖1c）。NT相比于CT在0～5和＞5～10 cm土層土壤C/N顯著降低（P<0.05），降幅就分別為7.75%和6.25%。其他土層C/N差異不顯著（P<0.05）（圖1 d）。說明保護性耕作（NT）可以顯著提升0～5、＞5～10和＞60～80 cm土層的TN質(zhì)量分數(shù)，顯著降低0～5和＞5～10 cm土層的C/N。

2.2 保護性耕作對SOC組分的影響

在有機碳組分質(zhì)量分數(shù)方面（表2），不同耕作方式與土層交互效應對LFOC質(zhì)量分數(shù)影響極顯著（P<0.01），對POC質(zhì)量分數(shù)影響顯著(P<0.05)，對MOC、DOC、MBC質(zhì)量分數(shù)影響不顯著(P<0.05)（表2）。POC、MOC、LFOC和MBC質(zhì)量分數(shù)隨土層增加而顯著降低（P<0.05），DOC質(zhì)量分數(shù)隨土層增加而顯著增加（P<0.05）。相比于CT，NT顯著提高了＞5～10和＞40～60 cm土層的POC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)、＞60～80 cm土層的MOC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)、0～5 cm土層的LFOC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)、＞80～100 cm土層的DOC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)、0～5和＞5～10 cm土層的MBC質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)，POC質(zhì)量分數(shù)在＞5～10和＞40～60 cm土層的增幅分別為69.85%和192.13%，MOC質(zhì)量分數(shù)在＞60～80 cm土層的增幅為38.71%，LFOC質(zhì)量分數(shù)在0～5 cm土層的增幅為130.81%，DOC質(zhì)量分數(shù)在＞80～100 cm土層的增幅為33.02%，MBC質(zhì)量分數(shù)在0～5和＞5～10 cm土層的增幅分別為85.59%和59.53%。說明，耕作方式和土層的交互效應對不同SOC組分的影響存在差異。

表2 不同耕作方式下土壤碳組分及其占比Table 2 Soil organic carbon contents and their proportions under different tillage modes

秸稈覆蓋與土層的交互效應對POC/SOC、MOC/SOC、LFOC/SOC、DOC/SOC和MBC/SOC比值均無顯著影響表2）。POC/SOC、LFOC/SOC和MBC/SOC比值隨土層增加而顯著降低（P<0.05），其比值在0～5 cm土層最大；DOC/SOC比值隨土層增加而顯著增加（P<0.05），其比值在＞80～100 cm土層最大，在0～5和＞5～10 cm土層最小。不同耕作方式下，NT相較于CT顯著提高了＞5～10 cm的POC/SOC比值，顯著提高了＞80～100 cm的DOC/SOC比值（P<0.05），顯著提高了＞15～20和＞80～100 cm的MBC/SOC比值（P<0.05），并且還顯著降低了＞5～10 cm的MOC/SOC比值（P<0.05）。

2.3 土壤有機碳組分之間的相關性

土壤有機碳組分之間具有較高相關性，除DOC外，其余SOC組分都與SOC質(zhì)量分數(shù)有極顯著正相關關系（P<0.001），其中MOC與SOC的相關系數(shù)最高，高達0.91，其次為MBC、LFOC、POC。并且除DOC外，其他SOC組分之間都有極顯著的相關性（P<0.001）。DOC與SOC有極顯著的負相關性（P<0.001），并且DOC與POC，LFOC和MOC都呈極顯著的負相關（P<0.01），與MBC呈顯著負相關（P<0.05）（表3）。

表3 不同碳組分之間的相關性Table 3 Correlation among different carbon components

2.4 土壤結構對于耕作措施的響應及其與SOC組分的相關性

與CT相比，NT處理下0～5 cm土層土壤容重、孔隙度和非毛管孔隙度都沒有達到顯著差異（P<0.05），含水率為40.9%，相比于CT處理顯著高出8.6%（P<0.05）。相比于CT，NT處理0～5 cm的團聚體的GMD值，提高84.67%（P<0.05）（表4）。說明保護性耕作（NT）明顯改變土壤結構特征，利于蓄水保墑，增加土壤穩(wěn)定性與抗蝕能力。

表4 不同耕作措施下各土層的土壤結構狀態(tài)Table 4 Soil structure of different soil layers under different tillage managements

對于兩個耕作處理中土壤0～5、＞5～10、＞10～15、＞15～20和＞20～40 cm土層的碳組分與土壤結構相關性分析結果顯示，土壤容重與DOC質(zhì)量分數(shù)呈顯著正相關（P<0.05），與POC、LFOC、MOC質(zhì)量分數(shù)呈顯著的負相關（P<0.05）；土壤含水率與SOC、LFOC和MOC質(zhì)量分數(shù)呈顯著正相關（P<0.05），與DOC質(zhì)量分數(shù)呈顯著負相關（P<0.05）；孔隙度對于POC、LFOC、MBC質(zhì)量分數(shù)都有顯著的正相關關系（P<0.05），卻與DOC質(zhì)量分數(shù)呈顯著的負相關（P<0.05）。GMD與土壤MBC質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關關系（P<0.001），與土壤SOC、POC、LFOC質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關關系（P<0.01），與土壤MOC質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)出顯著的正相關關系（P<0.05）（表5）。說明，土壤結構影響土壤功能，進而會影響SOC組分。

表5 不同碳組分與土壤結構之間的相關性Table 5 Correlation between different carbon components and soil aggregate stability index

3 討 論

3.1 保護性耕作對于SOC質(zhì)量分數(shù)和儲量的影響

本研究中，NT顯著提高0～5和＞5～10 cm土層的SOC質(zhì)量分數(shù)和儲量，和李景等[21]在黃土高原15 a連續(xù)保護性耕作研究一致，郭孟潔等[22]在東北黑土區(qū)平地實施16 a保護性耕作模式也得到相似的結果，即0～5 cm土層保護性耕作下的SOC質(zhì)量分數(shù)顯著高于傳統(tǒng)旋耕，說明NT可以有效提高土壤表層SOC質(zhì)量分數(shù)，其原因主要包括兩個方面：首先保護性耕作，增加SOC的外來輸入量，為微生物提供可便于腐解的來源，微生物表現(xiàn)活躍，有利于SOC的積累[23]；其次免耕減少人為擾動，避免SOC礦化損失，減少碳損失[24]。NT處理除＞15～20和＞80～100 cm這兩個土層外，其他土層平均SOC質(zhì)量分數(shù)均高于CT，說明隨著免耕年限的增加，NT處理不僅對于表層土壤SOC會產(chǎn)生影響，對于深層土壤SOC增量也產(chǎn)生了一定影響。保護性耕作出現(xiàn)了SOC逐漸向更深土層的積累效應，但這種深層SOC的增量相比于CT并不顯著，可能是由于保護性耕作年限還遠不夠長，這與閆雷等[25]的論點一致。并且在＞80～100 cm土層中，無論是DOC質(zhì)量分數(shù)還是DOC/SOC，NT都顯著高于CT。其原因主要是：NT有效增加了各種生物類群的物種豐富度、群落數(shù)量和生物量，進而提高了食物網(wǎng)結構的復雜性及各營養(yǎng)級之間的有效連通性，有效促進了土壤碳固存的可持續(xù)性[26]；其次，DOC質(zhì)量分數(shù)隨土層深度增加而增加，說明土壤淋溶作用也是影響SOC遷移的重要因素，深層DOC的來源主要包括根系分泌物，微生物和壤中流搬運，但隨著土層增加，根系和微生物來源都會減少，說明壤中流搬運的DOC是深層土壤DOC的主要來源[27]。不同來源的DOC通過生物降解和化學降解而進行遷移和轉化，現(xiàn)階段DOC的化學降解大多為光降解研究[28]。NT通過影響水分下滲來影響深層DOC積累，深層對于DOC的光降解能起到顯著阻礙作用，深層土壤微生物表現(xiàn)沒有土壤表層活躍，所以深層DOC受生物降解作用沒有表層頻繁，也進一步說明NT處理下土壤淋溶DOC對于深層SOC積累做出了積極貢獻。

像POC、MBC這些土壤活性有機碳作為土壤碳組分中最活躍的成分，其對耕作管理措施的反應會更加靈敏。本研究發(fā)現(xiàn)，免耕顯著提高了表層POC、MBC質(zhì)量分數(shù)。與武均等[29]研究保護性耕作顯著提高表層土壤POC質(zhì)量分數(shù)結論一致，說明外源碳輸入會促進POC在土壤中的固持，但與其保護性耕作顯著提高表層土壤MOC的結論有所差異。MOC作為與礦物表面的相互作用而形成的惰性有機碳，對SOC的貢獻大且周轉時間長，是土壤SOC穩(wěn)定性最重要的定量指標[30]。本研究對于表層惰性碳組分MOC提高不顯著，可能由于地域和溫度差異導致結果的不同，根據(jù)WIESMEIER等[31]發(fā)現(xiàn)，氣候對土壤的固碳能力影響很大。土壤微生物生物量是土壤有機質(zhì)中最為活躍的組分，其中，MBC是其重要的組成部分，用以表征微生物活體碳庫。MBC是土壤中易于利用的養(yǎng)分庫以及有機物分解的能量來源，與土壤中碳循環(huán)密切相關，本研究中NT顯著提高了表層0～10 cm的MBC質(zhì)量分數(shù)，這與孫冰潔等[32]研究保護性耕作表層土壤MBC的積累明顯的結果一致。其原因主要是由于秸稈還田，導致土壤中供微生物利用的養(yǎng)分增多，微生物活躍程度高；其次由于免耕減少土壤擾動，微生物群落破壞較小，對于優(yōu)勢菌群的保持具體一定的積極作用。深層的微生物活動沒有表層活躍，主要是由于保護性耕作對微生物生物量，包括對微生物多樣性和群落結構的影響具有明顯的土層效應。相比于表層，深層土壤的外源碳輸入量更少，養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)更低，微生物表現(xiàn)不活躍[33]。

3.2 土壤物理性質(zhì)與碳組分之間的關聯(lián)及主控因素分析

本研究發(fā)現(xiàn)，在東北典型黑土區(qū)實驗地實行長期保護性耕作對于土壤物理性質(zhì)有明顯改善，其原因主要分為兩點：一是秸稈還田顯著提高土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，有機質(zhì)對于土壤顆粒的膠結作用增大，利于土壤水穩(wěn)性大團聚體發(fā)育；二是秸稈覆蓋免耕能削減雨滴動能以及減少人為擾動，保護土壤團聚結構不被破壞，有利于團聚體的穩(wěn)定。由于團聚體的復合結構單元能包裹住有機碳，對有機碳形成物理保護，防止其與微生物接觸，減緩分解速度[34]，團聚體穩(wěn)定性對于有機碳的穩(wěn)定極為重要，因此，GMD對于土壤SOC、POC、MBC、LFOC和MOC質(zhì)量分數(shù)呈顯著的正相關。土壤孔隙度和土壤容重的大小可以直接影響到多種SOC組分的質(zhì)量分數(shù)，土壤孔隙度大，說明土壤容重越小，具有良好通氣透水性質(zhì)，能促進微生物活動和凋落物分解，進而促進SOC積累[35]。反之土壤孔隙度越小，土壤容重越大，土壤緊實度越高，越不利于有機碳的形成與積累；非毛管孔隙度對多種碳組分都沒有顯著相關性，也同樣可以說明總孔隙度對于碳組分的影響主要是通過毛管孔隙度完成的。其中DOC主要通過地上徑流和土壤大孔隙的優(yōu)先流組合輸出[36]，土壤孔隙度的降低，反而限制了DOC隨優(yōu)先流的運移量，不利于DOC的積累。

根據(jù)圖2所示，根據(jù)不同土層深度的通徑分析可知，在0～20 cm土層中，耕作管理效應主要通過GMD來影響土壤POC、LFOC和MBC等活性碳組分，進而影響SOC，說明土壤團聚結構對于活性碳組分的保護，是影響SOC積累的關鍵因素。

圖2 不同土層下土壤有機碳（SOC）的通徑分析Fig.2 Path analysis of soil organic carbon (SOC) under different soil layers

且在土壤耕層，SOC的增加主要與MBC相關。說明土壤表層主要受微生物生物量的影響進而影響SOC。耕作管理效應對通過影響NCP，進而影響POC和LFOC質(zhì)量分數(shù)。但NCP對于POC的影響是負面的，對于LFOC的影響是正面的，說明土壤大孔隙越多，與空氣接觸面積越大，微生物活動越活躍，POC作為供微生物活動、提供能量的主要碳源之一，易被微生物分解，不易積累。但LFOC組分的主要來源是秸稈和作物根系以及根系分泌物，大孔隙增多后，微生物活躍，對于秸稈的轉化也會相應增多，加之根際的激發(fā)效應[37]，所以LFOC質(zhì)量分數(shù)也會相應增多，利于SOC積累。在＞20～40土層中，耕作管理效應也主要通過團聚體穩(wěn)定性GMD來影響土壤POC、MBC，進而影響SOC，土壤非毛管孔隙不再受到耕作效應的影響。

3.3 長期保護性耕作的增碳效應

與試驗初始時SOC質(zhì)量分數(shù)相比，經(jīng)過15 a的連續(xù)保護性耕作，0～20 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)增長5.76%，年平均增速達0.38%；＞40～60 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)增長29.05%，年平均增速達1.94%。經(jīng)過15 a的連續(xù)傳統(tǒng)耕作，0～20 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)降低12.95%，年平均降幅達0.86%；＞20～40 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)降低19.97%，年平均降幅達1.33%。這說明長期保護性耕作不僅僅對于表層SOC影響大，也對于其他土層同樣有著一定的影響。

長期保護性耕作的增碳速率也是目前研究人員關注的重要問題，QI等[38]在華南農(nóng)業(yè)大學試驗站發(fā)現(xiàn)實施保護性耕作（秸稈覆蓋免耕、水稻單作）5 a可增加表層40%的SOC質(zhì)量分數(shù)，年增速達到8%。蔡太義等[39]在渭北旱塬地區(qū)發(fā)現(xiàn)保護性耕作（秸稈覆蓋免耕、玉米單作）實施5 a較實施1 a在0～10 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)提高16.6%，年均增速4.15%；保護性耕作實施8 a較實施1 a在0～10 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)提高38.0%，年均增速5.43%；保護性耕作實施10 a較實施1 a在0～10 cm土層SOC質(zhì)量分數(shù)提高66.4%，年均增速7.38%。在10 a間SOC增速不斷提高。但王琳等[40]在黃土高原西部旱農(nóng)區(qū)比較實行保護性耕作（秸稈覆蓋免耕、春小麥豌豆輪作）發(fā)現(xiàn)保護性耕作實施2 a、4 a、6 a、8 a和10 a較保護性耕作實施1 aSOC質(zhì)量分數(shù)分別提高9.5%、13.2%、21.5%、1.1%、2.7%。基于本研究結果，結合上述研究結果分析表明，長期保護性耕作的增碳速率受限于研究區(qū)域的氣候、土壤、種植方式等因素，呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，其內(nèi)在的機制仍需進一步研究。

4 結 論

1）長期保護性耕作相比于傳統(tǒng)耕作可以分別顯著提高0～5和＞5～10 cm土層的土壤有機碳質(zhì)量分數(shù)（29.54%和22.38%）（P<0.05），碳儲量（31.11%和27.34%）（P<0.05），全氮質(zhì)量分數(shù)（53.74%和37.60%）（P<0.05），表層土壤碳氮質(zhì)量分數(shù)提升顯著（P<0.05），深層土壤碳氮質(zhì)量分數(shù)變化不顯著。

2）長期保護性耕作增加的土壤有機碳主要以＞5～10 cm土層土壤顆粒有機碳（69.85%）、0～5 cm土層的土壤輕組有機碳（130.81%）和0～5、＞5～10 cm土層土壤微生物量碳（85.59%和59.53%）為主，并且對深層土壤有機碳組分也產(chǎn)生一定的積極影響。

3）長期保護性耕作對于土壤團聚體穩(wěn)定性指標影響顯著（P<0.05），并且土壤團聚體穩(wěn)定性指標對于SOC質(zhì)量分數(shù)提升也起到了關鍵作用。